Научная статья на тему 'Комплексная Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов: информационно-аналитическая и экспериментальная составляющие'

Комплексная Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов: информационно-аналитическая и экспериментальная составляющие Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY-ND
108
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАНОМАТЕРИАЛЫ / НАНОЧАСТИЦЫ / ТОКСИЧНОСТЬ / БЕЗОПАСНОСТЬ / СЕРЕБРО / ДВУОКИСЬ ТИТАНА / ДВУОКИСЬ КРЕМНИЯ / NANOMATERIALS / NANOPARTICLES / TOXICITY / SAFETY / SILVER / TITANIUM DIOXIDE / SILICA

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Тутельян В. А., Хотимченко С. А., Гмошинский Иван Всеволодович, Шумакова А. А., Распопов Р. В.

В статье излагаются результаты токсиколого-гигиенической оценки безопасности ряда искусственных наноматериалов (наночастицы серебра, диоксида титана, диоксида кремния), полученные в ходе реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы». Сделан вывод, что с учётом огромного разнообразия производимых в настоящее время искусственных наночастиц и наноматериалов экспериментальному изучению их безопасности должна предшествовать информационно-аналитическая оценка, позволяющая обобщить уже имеющиеся данные о потенциально опасных свойствах нанообъектов и на основании этого выстроить шкалу приоритетов первоочередных медико-биологических и гигиенических исследований.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Тутельян В. А., Хотимченко С. А., Гмошинский Иван Всеволодович, Шумакова А. А., Распопов Р. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

COMPREHENSIVE MEDICAL-BIOLOGICAL EVALUATION OF NANOMATERIALS SAFETY: COMMUNICATORY-ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL CONSTITUENTS

Results are presented of toxicologicalsanitary evaluation of some engineered nanomaterials safety Within the framework of realization of the Federal target program «Development of nanoindustry infrastructure in Russian Federation for 2008-2010». There is concluded that with the account of enormous diversity of new nanoparticles and nanomaterials manufactured now their safety experimental study must be preceded by communicatory-analytical evaluation that allows summarizing of existing data and construct a scale of priority of immediate experimental medico-biological and sanitary investigations on the basis of this.

Текст научной работы на тему «Комплексная Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов: информационно-аналитическая и экспериментальная составляющие»

МАЙ №5 (218)

15

КОМПЛЕКСНАЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ: ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

В.А. Тутельян, С.А. Хотимченко, И.В. Гмошинский, А.А. Шумакова, Р.В. Распопов

COMPREHENSIVE MEDICAL-BIOLOGICAL EVALUATION OF NANOMATERIALS SAFETY: COMMUNICATORY-ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL CONSTITUENTS

V.A. Tutelyan, S.A. Khotimchenko, I.V. Gmoshinski, A.A. Shumakova, R.V. Raspopov Учреждение РАМН Научно-исследовательский институт питания РАМН, г. Москва

В статье излагаются результаты токсиколого-гигиенической оценки безопасности ряда искусственных наноматериалов (наночастицы серебра, диоксида титана, диоксида кремния), полученные в ходе реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы». Сделан вывод, что с учётом огромного разнообразия производимых в настоящее время искусственных наночастиц и наноматериалов экспериментальному изучению их безопасности должна предшествовать информационно-аналитическая оценка, позволяющая обобщить уже имеющиеся данные о потенциально опасных свойствах нанообъектов и на основании этого выстроить шкалу приоритетов первоочередных медико-биологических и гигиенических исследований.

Ключевые слова: наноматериалы, наночастицы, токсичность, безопасность, серебро, двуокись титана, двуокись кремния.

Results are presented of toxicological- sanitary evaluation of some engineered nanomaterials safety Within the framework of realization of the Federal target program «Development of nanoindustry infrastructure in Russian Federation for 2008-2010». There is concluded that with the account of enormous diversity of new nanoparticles and nanomaterials manufactured now their safety experimental study must be preceded by communicatory-analytical evaluation that allows summarizing of existing data and construct a scale of priority of immediate experimental medico-biological and sanitary investigations on the basis of this.

Keywords: nanomaterials, nanoparticles, toxicity, safety, silver, titanium dioxide, silica.

Огромный интерес к изучению потенциально неблагоприятных эффектов наноча-стиц и наноматериалов, т. е. к проблеме на-нобезопасности, обусловлен быстрым про-

грессом наноиндустрии, который сопровождается широким внедрением её продукции в различных сферах человеческой деятельности, в т. ч. в производстве потребитель-

16

ЗНиСО

МАЙ №5 (218)

ских товаров и продовольствия, медицине, охране окружающей среды. В 2007 г. постановлением Главного Государственного санитарного врача Российской Федерации была утверждена «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов», которая ставит задачу разработать нормативную и методическую базу в области безопасности наноматериалов и провести в ближайшие годы токсиколого-гигиенические исследований приоритетных наноматериалов [1]. Следует учесть, что огромный фактический объем информации относительно физико-химических свойств и биологического действия веществ в ультравысокодисперсной (то есть нанодисперсной) форме был накоплен в мировой научной литературе на протяжении нескольких последних десятилетий. Ввиду этого, а также с учётом огромного разнообразия производимых в настоящее время искусственных наночастиц и нано-материалов, экспериментальному изучению их безопасности должна предшествовать информационно-аналитическая оценка, позволяющая обобщить уже имеющиеся данные о потенциально опасных свойствах нанообъектов и на основании этого выстроить шкалу приоритетов первоочередных медико-биологических и гигиенических исследований.

В рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на период 2008—2010 годов» был разработан и утверждён постановлениями Главного государственного санитарного врача Российской Федерации комплекс из 18 нормативно-методических документов, устанавливающих двухстадийную систему тестирования безопасности наноматериалов. С использованием информационно-аналитической процедуры, базирующейся на анализе данных научной литературы, составляется прогнозная оценка, позволяющая классифицировать наноматериалы как имеющие высокую, среднюю или низкую степень потенциальной опасности. Это позволяет в дальнейшем рационально обосновать необходимый объём тестирования наноматериалов на биологических объектах, таких как культуры микроорганизмов и клеток, организмы

гидробионтов и лабораторных животных. В настоящее время в НИИ питания РАМН проведён комплекс исследований по оценке безопасности важнейших с позиций их практической значимости и потенциальной опасности наноматериалов в экспериментах на лабораторных животных при перораль-ном пути поступления [2; 3; 4; 5]. Результаты для животных, получающих наноматериалы, сравниваются с данными для соответствующих контрольных групп животных, которые получают не только носитель (дисперсионную среду) наночастиц, но и их химический аналог в форме традиционной дисперсности. Это позволяет выделить возможные токсические эффекты наночастиц на фоне воздействий, оказываемых носителем или входящим в состав наночастиц химическим веществом независимо от степени его дисперсности. Выбор доз вводимых наномате-риалов определяется не только данными об их возможных концентрациях в продуктах питания и в объектах окружающей среды, но и токсикологическими характеристиками применяемого носителя (стабилизатора) наночастиц. Так, в частности, при характеристике препарата наночастиц серебра, ста-

0,0300

0,0250 ----

0,0230 ----

0,0150----

0,0100---—|—- —

0,0050 --- - —

0,0000 ^-—-—-——

Группа 1 Группа 2 Группа 3

Рис. 1. Влияние наночастиц серебра на проницаемость кишечного барьера животных для белковых макромолекул

Результаты тестирования проницаемости кишечного барьера для белковых макромолекул у крыс, получавших внутрижелудоч-но через зонд наночастицы металлического серебра (группа 1) в дозе 1 мг/кг массы тела, макроскопическое дисперсное серебро (группа 2) и стабилизатор наночастиц — поливинилпирролидон (группа 3) в эквивалентных количествах. Тестируемые препараты вводили животных ежедневно на протяжении 28 дней. Концентрацию овальбумина (ОВА) определяли в крови животных иммуноферментным методом через 3 ч после его внутри-желудочного введения на 29-й день опыта. Ось ординат — всасывание ОВА в кровь, тысячные доли процента от введённого количества. Различие групп 1 и 2 достоверно, Р < 0,05, критерий Манна-Уитни. Численность групп — по 10 животных.

Группа 1 Группа 2 Групп

МАЙ №5 (218)

17

Группы

Рис. 2. Активность изоформы СУР 2В1 цитохрома Р-450 печени крыс, получавших внутрижелудочно

в течение 28 дней в различных дозах наночастицы диоксида титана (рутил) и титановые белила традиционной дисперсности

Ось абсцисс — группы животных: 1 — наночастицы 1 мг/кг, 2 — наночастицы 100мг/кг, 3, 4 — титановые белила в дозах, эквивалентных группам 1 и 2 соответственно. Ось ординат — активность СУР 2В1 в реакции деалкилирования пентоксире-зоруфина пмоль/(мин*мг белка). Достоверность различия групп 1—3 и 2—4, Р < 0,05, критерий Манна-Уитни. Численность групп — по 6 животных.

билизированного диокстилсульфосукцина-том натрия, максимальная доза наночастиц не превысила 0,1 мг/кг массы тела ввиду ожидаемого токсического эффекта со стороны применяемого носителя. В этой дозе наночастицы серебра не оказывали на животных какого-либо негативного действия, которое можно было бы различить на фоне эффектов, оказываемых стабилизирующей добавкой [4]. В последующей серии экспериментов нами был охарактеризован по аналогичной схеме препарат наночастиц металлического серебра, стабилизированный относительно малотоксичным водорастворимым полимером поливинилпирролидо-ном. Это позволило повысить максимально вводимую дозу наночастиц серебра до 1 мг/ кг массы тела. На этом уровне удалось выявить ряд воздействий препарата серебра на организм животных и состояние кишечного микробиоценоза, которые могли быть охарактеризованы как неблагоприятные. В качестве примера можно привести данные о влиянии наночастиц серебра на проницаемость кишечного барьера животных для белковых макромолекул (рис. 1). Получен-

ные данные позволили оценить максимальную дозу наночастиц серебра, не оказывающую видимого отрицательного воздействия на организм, что с учётом коэффициентов запаса позволяет подойти к установлению гигиенического норматива на содержание данного вида наночастиц в питьевой воде и пищевых продуктах.

В экспериментах по пероральному введению крысам наночастиц диоксида титана в кристаллических модификациях рутила и анатазы показано, что при воздействии высокой дозы (100 мг/кг массы тела) отмечается комплекс сдвигов, многие из которых могут быть интерпретированы как неблагоприятные, т. е. имеет место, по-видимому, токсическое действие[3; 5]. Это относится к эффекту торможения прироста массы тела растущих животных, увеличению проницаемости кишечного барьера в отношении макромолекул белка. Определенные изменения выявлены в биохимических показателях организма животных, таких как концентрация небелковых тиолов и активность некоторых ферментов I и II фазы детоксикации ксенобиотиков в печени, уровень глюкозы и гемоглобина крови, количество тромбоцитов (рис. 2, 3).

12 3 4

Группы

Рис. 3. Содержание тромбоцитов (М ± т) крови у крыс, получавших внутрижелудочно в течение 28 дней в различных дозах наночастицы диоксида титана (рутил) и титановые белила традиционной дисперсности

Ось абсцисс — группы животных (см. рис. 2). Ось ординат — уровень тромбоцитов крови, тысяч/мм3. Значения для групп 1 и 2 достоверно снижены в сравнении с нормой (пунктир), Р < 0,05, критерий Манна-Уитни. Численность групп — по 8 животных.

18

ЗНиСО

МАЙ №5 (218)

Отмечены также определённые воздействия на состояние кишечного микробиоценоза, в частности, повышение уровня гемолитических стрептококков и снижение антагонистической активности нормальной бифидофлоры. Сдвиги в составе кишечной микрофлоры, в свою очередь, могут сказаться на функции иммунной системы, в частности, нарушить баланс хелперов ТЫ и ТИ2 типов, на что указывает повышение продукции 1Ь—10 у животных, получавших наночасти-цы. Проведенные исследования показывают, что содержание различных видов наночастиц диоксида титана в пищевых продуктах, материалах, контактирующих с пищевыми продуктами, косметических изделиях и другой подобной продукции должно стать предметом гигиенического нормирования.

В эксперименте по пероральному введению крысам наночастиц аморфного диоксида кремния в дозах до 100 мг/кг массы тела было показано, что эти наночастицы не оказывали какого-либо отрицательного воздействия на организм животных, которое могло бы быть интерпретировано как неблагоприятное [2]. Можно предположить, что наноразмерный диоксид кремния обладает, по-видимому, весьма низкой токсичностью для животных.

Исследования по токсиколого-гигиени-ческой оценке приоритетных искусственных наноматериалов в экспериментах на лабораторных животных в НИИ питания РАМН продолжаются с расширением спектра изучаемых показателей.

Настоящая работа выполнена за счет средств Федерального бюджета, по государственному контракту с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Онищенко Г. Г., Тутельян В.А. О концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов// Вопросы питания. 2007. Т. 76, № 6. С. 4—8.

2. Верников В.М., Распопов Р.В., Арианова Е.А. и др. Токсиколого-гигиеническая оценка препаратов наноструктурированного диоксида кремния в эксперименте на лабораторных животных // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010». Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2010. С. 4—7.

3. Распопов Р.В., Верников В.М., Шумакова А.А. и др. Токсиколого-гигиеническая характеристика наночастиц диоксида титана, вводимых в виде дисперсии в желудочно-кишечный тракт крыс. Сообщение 1. Интегральные, биохимические и гематологические показатели, степень всасывания макромолекул в тонкой кишке, повреждение ДНК //Вопросы питания. 2010. Т. 79. № 4. С. 21—30.

4. Хотимченко С.А., Гмошинский И.В., Кравченко Л.В. и др. Изучение токсичности нано-частиц металлического серебра в эксперименте //3-й съезд токсикологов России 2—5 декабря 2008 г. Тезисы докладов /Под ред. Г.Г. Онищенко, Б.А. Курляндского. М., 2008. С. 327—329.

5. Шевелева С.А., Кузнецова Г.Г., Батищева С.Ю., и др. Токсиколого-гигиеническая характеристика наночастиц диоксида титана, вводимых в желудочно-кишечный тракт крыс. Сообщение 2. Состояние микробиоценоза толстой кишки, продукция цитокинов, аллергическая чувствительность //Вопросы питания. 2010. Т. 79. № 5. С. 29—34.

Контактная информация:

Гмошинский Иван Всеволодович, тел.: (495) 698-53-71, e-mail: gmosh@ion.ru

Contact information:

Gmoshinskiy Ivan VsevolodoBvich, tel.: (495)698-53-71, e-mail: gmosh@ion.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.